힘 및 변형 측정 기술을 사용한 혁신적인 수리 개념의 실행
둥근 지붕 구조(cupola)에 맞는 본래의, 역사적인 하중 전이는 더 이상 효과적이지 않으며, 대신에, 하중은 천정 및 아래 마루의 들보로 재분배 되는데, 이는 이러한 영역의 하중이 과하게 되는 원인이 됩니다. 떠오른 계획은 둥근 지붕 하중의 역사적인 하중 전이를 복원 하자는 것이었습니다. 이는 둥근 지붕 하중의 복잡한 재분배에 집중된 것을 지주에서 트러스 프레임(truss frame)의 버팀목(strut)으로 옮기자는 개념을 개발한다는 것을 포함 하였습니다.
1. 소개 및 문제점
프리든스타인(Friedenstein) 성(城)은 튀링겐(Thuringia)에서 가장 큰 궁전으로, 그 기원이 30년 전쟁 (1618–1648)으로 거슬러 올라가며, 기초석이 1643년에 언스트 백작(Duke Ernst) 1세가 그 기초석을 놓았습니다. 이는 또한 독일에서 초기 바로크 양식 궁전 공원으로 가장 큰 것입니다.
마그데부르쿠(Magdeburg) 출신의 성채 건설가 안드레아스 루돌프는 건설 및 축성에 책임을 졌으며 1654년에 이를 완공 하였습니다.
그림. 1: 오늘날의 프리든스타인(Friedenstein) 성(城)
(사진: Ingenieurbüro Hirsch, Erfurt)
궁전은 주로 주거 및 업무 기능 목적으로 사용 되었고, 또한 옥좌(玉座)로써 바로크 시대부터 고전 시대로 이어져 사용되었습니다. 현재는, 고타 연구 및 주 도서관 및 고타 튀링겐 주 문서보관소로 주로 사용됩니다. 이는 또한 주요 관광지이기도 합니다. 궁전 뜰의 서남쪽 코너에는 서탑이 있는데, 이는 26 미터 길이에 높이는 40미터 입니다.
이 탑 하우스 ‘Erkhoftheater’는 약 1681년으로 거슬러 올라가며, 현재 남아있는 바로크 양식 극장중에서 가장 오래 된 것중에 하나이며, 본래의 무대 기계장치가 남아 있습니다.
서탑의 지붕은 텐트 모양의 구조물로, 8각 원형 지붕(돔-형태 구조)이 상부에 있습니다. 본래 건축 스타일은 트러스트 프레임을 사용하여 하중을 둥근 지붕에서 바깥쪽 석조 부분으로 분산 시키고, 탑을 공간이 넓게 만들어 주고, 사실상 거의 지지대가 없게 만들었습니다. 트러스트 프레임은 대각선 버팀목을 통해 힘을 전달하는 구조물을 지지하고 있습니다.
그림. 2: 서쪽 탑의 경관
그림. 3: 서쪽 탑의 단면
시간이 지남에 따라, 지지 구조물의 손상, 그리고 바깥쪽 석조에서 지붕의 지지 포인트의 손상은 건물의 2층 및 3층의 천정에서 확연한 처짐으로 이어 졌습니다. 둥근 지붕 구조(cupola)에 맞는 본래의, 역사적인 하중 이전은 더 이상 효과적이지 않으며, 대신에, 하중은 천정 및 아래 마루의 들보로 재분배 되는데, 이는 이러한 영역의 하중이 과하게 되는 원인이 됩니다. 그림4는 왼편 및 오른편의 하중이 계획된 전이를 보여 줍니다. 손상에 의해 발생한 힘의 흐름에서의 차이도 보여 줍니다.
본래 계획된 힘이 선택한 경로 힘에 의해 선택된 실제 경로
그림. 4: 트러스트 프레임 영역에서 힘(힘의 흐름)이 선택한 경로의 비교
2. 수리 개념
재건축 업무를 검토하는 계획가들과 수리기사들 모두는 다수의 제약으로 한계가 있습니다. 그들은 다음 사항을 실행 해야만 합니다:
• 문화재에 적합한 해결책 찾기
• 사용하는 바닥에 추가적인 건축 보강의 사용을 피하기
• 건물을 하용 하면서 수리 작업 실행
• 어떠한 제안된 보강 작업은 국부적이고 최소하 할 것을 보증
• 수리 비용을 최적화 할 것
이런한 제약에 직면하여, 여러 대안을 저울질 한 후에, 떠오른 계획은 둥근 지붕 하중의 역사적인 하중 전이를 복원 하자는 것이었습니다. 이는 둥근 지붕 하중의 복잡한 재분배에 집중된 것을 기둥에서 트러스 프레임(truss frame)의 버팀목(strut)으로 옮기자는 개념을 개발한다는 것을 포함 하였습니다.
이를 성취하기 위해, 목재 트러스트 프래임을 강화하고 난 다음에, 힘 측정을 대각의 버팀대로 통합하여, 8개의 팽팽하게 당기는 요소들을 고정하는 것이 필요합니다. 트러스트 프레임을 활성화 하기 위해, 이전 힘의 흐름의 방향이 다시 조정 되어야만 합니다. 적용된 절차의 도표를 그림5에서 볼 수 있습니다.
트러스 프레임 지주의 하중은 8쌍의 유압 프래스로 방향을 다시 조정하고, 그래서 그 아래에 깔도리(wall plate) 및 석조 부분 기초 블록은 하중이 없고, 고로, 해체 될 수 있습니다. 조합된 힘/이동 측정은 각각의 프래스 위치에서 이루어 지는데, 이는 하중-변형 반응을 모니터 하기 위해서 입니다. 이는 추가되는 하중이 깔도리 아래의 영역에 가해지는 것을 방지할 수 있게 하는데, 여기에서 이 하중은 이미 매우 지나치게 하중이 가해져 있습니다. 유압 프래스가 반응을 보일 때, 천정의 하중은 제거 될 수 있으며, 트러스 프레임의 버팀목(strut)을 통과하여 외부 석조 부분으로 전이 되었습니다. 이를 진행하기 위해서, 개별 버팀목(strut) 사이의 하중 분배에 대한 정의가 먼저 되어야만 했습니다.
힘 흐름의 재분배는 성취될 수 있는데, 만약, 재건축 작업의 일부로써, 트러스 프레임을 통해 발생하는 힘과 변형을 높은 정밀도로 측정 되고 현장에서 이를 볼 수 있다면 가능합니다.
그림. 5: 위의 그림은 힘의 흐름을 다시 조정한 도표. 아래의 사진은 현장 건설 상황
일단 수리가 완료되면, 힘의 흐름 및 변형 반등을 도량형적 모니터링을 계속 하는 것이 매우 중요합니다. 결론적으로, 전기적 온라인 측정과 최단선(最短線)의 모니터링으로 구성된 시스템이, 변형 상태를 정하기 위해, 개발 및 시행 되었습니다.
3. 측정 기술에 대한 어플리케이션 영역
하중 재분배의 복잡한 절차를 제어하고 모니터하기위한 수리 개념에서 측정 기술은 중요한 역할을 했습니다. 이는 다양한 분야에 적용 될 수 있습니다.
3.1 트러스 프래임 지주에 가해지는 잭 힘(jacking force)을 측정하기
임시로 하중을 분배하는 동안, 각각의 쌍의 프레스에 가해진 힘은, 힘의 흐름에 위치해 있는 힘 트랜스두서를 이용하여 기록을 하였습니다. 최대 용량이 200 kN인 HBM의 타입 C6A 센서가 사용되었습니다. 이들은, 반송 주파수 측정 채널을 8개까지 증가 시키기 위해 추가된 SR55 확장 모듈을 가진 HBM Spider8 증폭기에 연결되어 있습니다. 프레스 쌍의 하나에서만 힘은 측정되었고, 두 개의 실린더의 유압 커플링에서, 하중은 고르게 분배 되었습니다. 이런 형태의 측정 포인트는 그림 6에서 볼 수 있습니다.
계획에의해, 개별적인 프레스 쌍에 트리거를 걸어서, 유압 실린더로의 고른 하중 분배가 이룰 수 있는 것이 가능하다고 생각했습니다. 또한 명확한 한계 하중이 있어 초과하지 않을 것인데, 이는 특정 포인트에서 천정 구조에 초과 하중을 줄수 있기 때문이며, 수리 작업이 수리되는 것보다 더 많은 손상을 줄수도 있습니다.
개발된 작업 방법은 또한 둥근 지붕의 이전엔 알려지지 않은 본래의 전체 하중을 도량형적인 정의를 내리려고 하였고, 지지하는 구조물의 어떠한 추가적인 정지 계산에 대해 이들 힘을 사용 할 수 있게 하였습니다.
유압력의 측정에서 얻은 측정 데이터는 실시간으로 구조 엔지니어가 현장에서 사용 가능합니다.
그림. 6: 트러스 프레임 지주의 기본 판(base plate)위에 힘 트랜스두서 및 변위 센서를 장착한 유압 프레스
3.2 트러스 프레임 지주에서 증가량 측정하기
유압력 측정과 함께, 3층의 아래쪽 천정 구조와 관련이 있는 트러스 프레임 지주의 높이는 도량형으로 기록 됩니다. 이는 분리된 8개 채널의 Spider8 증폭기에 연결된 전위차 변위 트랜스두서를 사용하여 얻을 수 있었습니다. 측정 포인트는 그림6에서 보는 바와 같이, 유압 프레스 옆에 위치합니다.
측정은 또한, 유압 프레스를 이용해서 얼마나 많이 전체 하중을 떠안을 수 있는 가를 결정 할 수 있게 해 줍니다. 밑에 있는 조이스트(joist)에서 온 하중이 없어지게 되는 트러스 프레임 지주에 의해 표시 되는데, 이는 결합된 힘/변위 측정의 힘-변형 특성을 반영한 것입니다.
유압 프레스는 또한, 분명한 이동에서, 수작업으로 제어가 됩니다.
3.3 트러스 프레임 버팀목의 스트레인 측정을 통한 버팀목 힘 결정하기
수리 작업의 도량형적인 측면의 다른 중요한 것은 트러스 프레임 버팀목에서 압축력을 측정 하는 것입니다. 이는 기획자가 지지 구조물의 개별적인 버팀목 사이에서 특정 하중 분배가 실현 되는 것을 요구 하였기 때문입니다. 이는 미세한 조정 동안에 선택적으로 스트레스를 가함으로서 가능했습니다. 초과 하중을 방지하기 위해, 또한 특정적이고 안전한 제한 하중을 고수하는 것도 필수적이였습니다. 트러스 프레임에서 하중 상황은 수리 이후에도 오랜 기간 동안 모니터 될 필요가 있었습니다.
그림. 7: 대각선 버팀목에서 인장 요소의 매달린 트러스/트러스 프레임의 도해
이들 요구 사항을 고려하여, 결합된 측정 및 인장 요소(MSE)가 설계 되었고, 각각의 트러스 프레임 버팀목의 힘 흐름에 맞게 설치 되었습니다. 이것의도해는 그림7에서 볼 수 있습니다. 이 요소의 길이는 쓰레드(thread)에 따라 변할 수 있고, 이는 버팀목에서 하중의 양에 주는 영향을 제어 할 수 있게 해 줍니다. 이는 수작업으로 처리됩니다.
그림. 8: 스트레인 게이지가 장착된 인장 요소 전체 브릿지 시험 물체(위), 트러스 프레임에서 설치 (아래)
같은 요소가 힘을 측정 할 때 또한 사용되었는데, 스트레인은 포일 스트레인 게이지를 이용하여 측정 되고, 관련된 힘 계산은 선형 스트레스-투-스트레스 비율을 사용하여 수행 되었습니다. 측정 포인트는 주변의 맞은 편에 설치된 두 개의 HBM 6/120 XY 31 T-로제트입니다. 스트레인 게이지는 전기적으로 전체 브릿지에 연결되어 있습니다. 여기에서의 목적하는 바는 변하는 온도 및 습도에 의해 발생한 신호의 변화를 보상하는 것입니다. 이것에 추가로, 선택된 스트레인 게이지 배열 및 연결은, 버팀목의 상당한 사하중(死荷重) 및 기울기로 인한 휨의 피할수 없는 양을 또한 상호 상쇄 합니다.
측정 포인트는 먼저 Z70 접착제로 준비 되었습니다. HBM이 권고한 다층 시스템은 덮개로 사용 되었고, 그래서 스트레인 게이지는 먼저 PU120 폴리우레탄 페이트로 칠해 졌고, 다음에 SG250 실리콘 고무로 처리 되었습니다. ABM75 덮개 테이프는, 일단 조치가 완료된 측정 포인트에 맞게 여분의 덮개를 제공 합니다. 이 테이프는 반죽된 화합물의 3 mm 두께 층 밑에 0.05 mm 두께의 알루미늄 포일로 구성 됩니다. 이는 습기 침투에 대한 효과적인 방어막을 제공 합니다.
그림. 9: 인장 요소를 교정하기 위한 시험 장치
이와 같은 측정 및 시험 요소는 그림8에서 보여 집니다. 측정 및 인장 요소에 대한 특정 구조를 가진 모델은 실험실에서 경험적으로 교정 됩니다. 그림9에서 보여주는, 부하 프레임은 인장을 가하는 장치로 만들어 졌고, 스트래인 게이지 측정 포인트는 이미 붙여 졌기에, 유압 시스템에 의한 실제 로드에 해당 합니다. 힘 트랜스두서는 삽입되어 힘을 측정 할 수 있습니다. 다른 부하 레밸에서 얻어진 측정 밸브에서, 브릿지 출력 접압에서 스트러트(strut) 힘을 결정하는 민감도를 정할 수 있습니다. 다양한 부하 레밸의 측정 값은, 전체 측정 범위에 대한 이들 수량들 사이의 직선 관계에 아주 가까운 근사치가 있다는 것을 보여 줍니다.
3.4 최단선(最短線, geodetic)의 측정 동반 하기
방향을 다시 조정하는 동안에, 온라인 측정 시스템의 관련 측정은 측지선 측정 방법의 도움을 받습니다. 비록 이들 측정의 정확도가 아주 낮은 레이트로 주어져야만 하지만, 굳은 외부 석조 부분에 대한 절대 변형 기준이라는 장점을 가지고 있습니다. 이는 전자적 측정이 독립적으로 검사할 수 있게 해 줍니다. 다음의 것들이 기록 됩니다.
• 외부 석조 부분에 관련된 트러스 프레임 지주의 높이(altitude)
• 외부 석조 부분에 관련된3층 바닥 천정의 주 러너(runner)의 높이
• 2층 및 3층에 선택된 포인트에서 천정의 굴절 곡선
선택된 최단선 측정 포인트의 고정되게 설치하여 변형에서의 변화가 이후 계속 기록될 수 있게 합니다.
3.5 측정 값 처리 및 시각화
현장에서 측정 신호를 시각화를 하려는 필요는 특정 문제를 제기 했습니다. 32개의 전자 측정 포인트에서 오는 데이터는 준비되고 요약되어 시각적 명확성을 제공해야만 했기에, 그래서 기획자가 힘의 방향을 다시 조정하는 동안에 언제라도 지지하는 구조물의 하중 및 변형 상태를 빠르게 확인하고 검사하는 것이 가능했습니다.
전기적으로 측정된 값은 실시간으로 상응하는 물리적인 양으로 변환 되어야만 하고 다른 결과는 결정 되어야 하는데, 예를 들어, 계산에서 구한 힘의 총합 같은 것입니다. 관련된 시각화 개념은 측정보다 앞서 정해 졌는데, 권한이 있는 기획자가 동의 하였고 그런뒤에 시행 되었습니다.
HBM의 다중-채널 ‘Spider 8’ 증폭기 및 이와 연계된 ‘catman® 5’ 소프트웨어는 측정된 갑의 처리 및 실현에 중심이였습니다. ‘catman® 5’ 과 하드웨어 구성의 조합은 측정, 데이터 저장 및 실시간 결과의 실현을 가능하게 했습니다. 1 Hz의 데이터 레이트는 상당히 충분하였습니다.
시각화는 여러 개의 모니터에서 나타나고, 화면상에 동시나 뿌려 집니다. 그림10은 특정 화면의 레이아웃을 보여 줍니다. 측정된 프레스 힘 및 사전에 정한 한계 하중은 중앙에 있고, 바(bar)의 색깔은 한계값이 초과 하면 변하게 됩니다. 트러스 프레임 버팀목과 연관된 이동이 위와 아래에서 볼 수 있고, 이에 더하여, 다양한 색깔로 등급을 표시하며, 한 눈에 즉시 볼 수 있습니다. 화면의 오른편 끝에 추가로 계산된 값이 있습니다.
그림. 10: 측정값의 실시간 현장 실현; ‘Catman’ 온라인 문서가 화면상에 보임
4. 지속적인 모니터링
트러스 프레임 버팀목의 하중 상태는, 성공적인 힘의 재 지정에 따라, 행후 2년 동안 계속적으로 모니터 될 것입니다. 데이터는 수집되어 전자적으로 저장되는 데, 두 시간의 측정 사이클을 가집니다. 측정 데이터는 원격 데이터 전송으로, 정기적으로 전송되고 평가되기에, 이들 데이터는 미리 준비가 되어 있어 지지하는 구조물의 상태를 점검하는 것이 가능 합니다.
계절 기후 영향은 장기간의 측정의 측정 데이터 검사에서 매우 중요한 요소입니다. 특히 온도에 의해 발생한 측정 값에서의 변화는 측정 결과에 심각한 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 형태의 영향이 바르게 평가되기 위해서, 온도 및 관련 습도 모두 지속적인 모니터링에서 또한 기록 됩니다.
현재 진행되고 있는 측정은 이미, 안정적인 하중 상태를 이루기 위해서는 상당한 시간이 필요하다는 것을 보여주었습니다. 1년간 지속적인 모니터링한 후에, 인장 요소는 프로젝트 기획자에 의해 정의된 대로 조정되었는데, 이는 트러스 프레임 하중을 정정하기 위해서 입니다. 기존의 안정된 하중 상태를 결정하기 위해 힘의 방향을 재 조정하는 것에 완전히 1년이 소요되는 것을 느꼈습니다.
